Heizlösung: Hybridsysteme
Der Einbau von elektrischen Wärmepumpen als alleinige Heizlösung ist - besonders für den Neubau und für sanierte Gebäude - die energetisch bevorzugte Option. Der überwiegende Anteil an Gebäuden in Deutschland sind allerdings Bestandsgebäude mit einer sanierungsbedürftigen Gebäudehülle. Diese benötigen beim Einsatz einer Wärmepumpe höhere Vorlauftemperaturen. Je höher der Unterschied zwischen Vorlauf- und Außentemperatur wird, desto ineffizienter arbeiten Wärmepumpen, daher besteht hier das Risiko von stark steigenden Betriebs- bzw. Stromkosten der Wärmepumpe. Ein Hybridsystem ist die Kombination von zwei oder mehr Wärmeerzeugern und ist damit in der Lage, die Vorteile dieser Wärmeerzeuger zu vereinen. Es wird zwischen rein erneuerbaren Hybridsystemen (z.B. Wärmepumpe + Solarthermie) und Hybridsystemen mit einem fossilen Anteil (z.B. Wärmepumpe + Gas-Brennstoffkessel) unterschieden. Grundsätzlich sind verschiedenste Kombinationen, auch aus mehr als zwei Wärmeerzeugern denkbar, mögliche Limitierungen sind hier eher aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu erwarten.
Technik
Hybridsysteme in diesem Sinne sind Wärmepumpen, kombiniert mit einer konventionellen Brennstofffeuerung, z.B. einer klassischen Erdgas-Brennwerttherme. Durch diese Anlagenkombination wird sichergestellt, dass ab dem Punkt, an dem die Wärmepumpe aufgrund sinkender Außentemperaturen Effizienz einbüßt, die Brennstofffeuerung als sekundärer Wärmeerzeuger einschaltet und somit die Betriebskosten eindämmt. Um den Anteil der Wärmepumpe an der Heizlastdeckung zu steigern, wird häufig noch ein Speicher verbaut, der es erlaubt, den Betrieb der Wärmepumpe in Tageszeiten mit geringerer Temperaturspreizung zu verschieben.
Man Unterscheidet hier zwischen primärem und sekundärem Wärmeerzeuger. Der primäre Wärmeerzeuger trägt den größeren Anteil an der Heizlastdeckung. Der sekundäre Wärmeerzeuger trägt entweder nur dann die Heizlast, wenn seine Energiequelle ausreichend Energie liefert (z.B. Solarthermieanlagen am Tag) oder geht nur dann in Betrieb, wenn der Primärerzeuger nicht mehr effizient arbeitet (z.B. Gas Brennstoffkessel zum Auffangen von Spitzenlasten (Spitzenlasterzeuger)).
Je nach Ausgestaltung des Hybridsystems können die Wärmeerzeuger als Kompaktgerät (integriert in einer Anlage) oder getrennt voneinander als Einzelanlagen installiert werden. Auch eine Erweiterung eines bestehenden konventionellen Wärmeerzeugers, mit beispielsweise einer Wärmepumpe, zu einem Hybridsystem ist denkbar.
Zu den beliebtesten Hybridsystemen gehört die Kombination aus Luft-Wasser-Wärmepumpe und Gas-Brennwertheizung. Die Gasheizung wird dabei zur Abdeckung der Spitzenlast genutzt Dabei bedarf es nicht zwangsläufig neuer und moderner Gaskessel. Auch ältere Geräte lassen sich durchaus wirtschaftlich mit einer Wärmepumpe verknüpfen. Damit können zusätzliche Investitionen in den zweiten Wärmeerzeuger eingespart werden. Durch den bereits vorhandenen Gas-Kessel kann die Wärmepumpe auch kleiner und damit für eine optimale Betriebsweise ausgelegt werden, wodurch geringere Investitionskosten anfallen und die Wärmepumpe effizienter arbeiten kann.
Neben den niedrigeren Kosten für Investition und Betrieb des Hybridsystems hat dies insbesondere Auswirkungen auf den CO2 Fußabdruck. Obwohl der sekundäre Wärmeerzeuger teilweise mit fossilen Energieträgern betrieben werden darf, liegen aktuell die jährlichen CO2-Emissionen des Hybridsystems, im Vergleich zu einer reinen Wärmepumpe mit einem herkömmlichen Stromtarif, auf einem ähnlichen Niveau. Dies liegt daran, dass der deutsche Strom noch nicht zu 100 % aus regenerativen Energien erzeugt wird. Dieser Zusammenhang wird auf der Seite CO2-Emissionen noch mal genauer erläutert.
Vorteile
- Bestehende Gas- oder Ölbrennwertkessel können meistens mit zusätzlichen Wärmepumpen aufgerüstet und GEG-konform gestaltet werden
- Hohe Emissionsreduktion im Vergleich zu einem reinen fossilen Wärmeerzeuger
- Hohe Versorgungssicherheit, da auf verschiedene Energiequellen zurückgegriffen werden kann
Nachteile
- Investitionskosten ohne bereits vorhanden Wärmeerzeuger können höher als bei einer GEG-konformen Einzellösung ausfallen
- Ein Teil der Wärmeerzeugung basiert weiterhin auf fossilen Energieträgern
- Höherer Platzbedarf durch die Unterbringung von mehreren Wärmeerzeugern
- Durch den fossilen Wärmeerzeuger fallen zusätzliche Wartungs- und Instandhaltungskosten an
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Wie entscheidet das Hybridsystem, welcher Wärmeerzeuger eingesetzt wird?
Grundsätzlich erfolgt die Hinzuschaltung oder Umschaltung des Spitzenlasterzeugers zur elektrischen Wärmepumpe an einem definierten Punkt, dem Bivalenzpunkt. Der Bivalenzpunkt ist über eine konkrete Außenlufttemperatur bestimmt, der je nach System und Betriebsweise zwischen −5 °C und +5 °C liegt. Je höher die Temperaturgrenze angesetzt wird, desto früher springt der zweite Wärmeerzeuger an. Darüber hinaus existieren verschiedene Betriebsweisen des Hybridsystems:
Bivalent-parallel Bivalent-teilparallel Bivalent-alternierend Wärmepumpe Läuft durchgehend Läuft bis zum Bivalenzpunkt und schaltet dann ab Läuft bis zum Bivalenzpunkt und schaltet dann ab Spitzenlasterzeuger Springt ab dem Bivalenzpunkt an und deckt nur einen Teil der Heizlast Springt schon vor dem Bivalenzpunkt an und deckt ab der Abschaltung der Wärmepumpe bei sehr niedrigen Außentemperaturen die Heizlast allein Springt erst am Bivalenzpunkt an und deckt Heizlast allein Graphische Veranschaulichung
(Bivalenzpunkt = −5 °C)
Damit ein abgestimmter Betrieb der Technologien möglich wird, kann es sinnvoll sein einen Wärmespeicher, der als Sammelpunkt der bereitgestellten Wärmemengen dient, einzusetzen. Beide Wärmeerzeuger transportieren die Wärmemengen zunächst in den Speicher, ehe von dort aus die Heizkörper und/oder Brauchwasser-Zapfstellen versorgt werden. Voraussetzung für eine effiziente Betriebsweise des Heizungssystems, ist die Möglichkeit, die Komponenten (Wärmepumpe, zweiter Wärmeerzeuger und ggf. Wärmespeicher) Steuer- und Regelungstechnisch verknüpfen zu können.
GEG
Rein Erneuerbare Hybridsysteme sind grundsätzlich GEG-konform. Im Folgenden liegt der Fokus auf den Hybrid-Heizungssystemen mit fossilem Anteil, die unter bestimmten Voraussetzungen gemäß GEG ohne rechnerischen Nachweis als Erfüllungsoption anerkannt werden. Neben einer elektrischen Wärmepumpe mit einem zusätzlichen konventionellen Sekundär-Wärmeerzeuger ist dies die Kombination einer Solarthermie-Anlage (als primärer Wärmeerzeuger) mit einem ebenfalls konventionellen Sekundär-Wärmeerzeuger. Die konventionellen Wärmeerzeuger müssen dabei mit Gas-, Flüssigbrennstoffen- oder Biomassebrennstofffeuerung ausgestattet sein.
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Wärmepumpen-Hybridheizung
Um die GEG-Konformität zu gewährleisten, muss eine Wärmepumpen-Hybridheizung aus einer elektrisch angetriebenen Wärmepumpe kombiniert mit einer Brennstofffeuerung (Spitzenlasterzeuger) bestehen, die entweder gasförmige bzw. flüssige Brennstoffe oder feste Biomasse verfeuert. Feste fossile Brennstoffe sind nicht als Erfüllungsoption vorgesehen. Gasförmige oder flüssige Brennstoffe dürfen nach Inkrafttreten des GEG noch aus fossilen Quellen stammen, sind jedoch nach und nach durch Erneuerbare Energien zu subsituieren. Spätestens zum Jahr 2045 sind fossile Energieträger gemäß den Zielen des Klimaschutzgesetzes keine Option mehr.
An den sekundären Wärmeerzeuger werden weitere Anforderungen gestellt. Sofern in diesem gasförmige oder flüssige Brennstoffe verfeuert werden, muss der Spitzenlastwärmeerzeuger ein Brennwertkessel sein. Weiterhin gilt die Anforderung, dass der sekundäre Wärmeerzeuger nur dann den Betrieb aufnimmt, wenn der Wärmebedarf nicht mehr von der Wärmepumpe gedeckt werden kann (Spitzenlastdeckung). Schließlich muss der sekundäre Wärmeerzeuger ausreichend dimensioniert sein, um sowohl die Gebäudeheizlast als auch – sofern vorhanden – den Wärmebedarf der übrigen Wärmesenken im Gebäude (Warmwasserversorgung) vollständig zu decken.
Zusätzlich werden an die drei möglichen Betriebsweisen (bivalent-parallel, bivalent-teilparallel, bivalent-alternativ) unterschiedliche Anforderungen gestellt. Dabei stellt sich der Nachweis mutmaßlich unterschiedlich aufwendig dar:
Bivalent-parallel Bivalent-teilparallel Bivalent-alternativ Sicherer Nachweis Die Wärmepumpe wird danach ausgewählt, dass ihre Leistung mehr als 30 % der Spitzenlasterzeugerleistung erreicht. Die Wärmepumpe wird danach ausgewählt, dass ihre Leistung mehr als 40 % der Spitzenlasterzeugerleistung erreicht. Erschwerter Nachweis (Rechnerische) Nachweisführung, dass die Wärmepumpe theoretisch mehr als 30 % der Heizlast deckt. Ob der tatsächliche Deckungsanteil im Betrieb bei mehr als 30 % liegt ist nicht nachzuprüfen. (Rechnerische) Nachweisführung, dass die Wärmepumpe theoretisch mehr als 40 % der Heizlast deckt. Ob der tatsächliche Deckungsanteil im Betrieb bei mehr als 40 % liegt ist nicht nachzuprüfen. Der erschwerte/aufwändige Nachweis ist dabei nicht mit dem rechnerischen Nachweis nach §71 Abs. 2, S. 2 zu verwechseln. Die für die Anlage verantwortliche Person ist dafür zuständig, sicherzustellen, dass die geräteseitige Einstellung der Betriebsweise, die den GEG-konformen Betrieb garantiert, eingehalten wird.
Schließlich muss das Gesamtsystem für einen vereinfachten Nachweis der Konformität mit einer fernansprechbaren, alle Heizungsanlagen regulierenden, Steuerung versehen sein.
Sofern der Konformitätsnachweis nicht entsprechend den hier beschriebenen Anforderungen geführt werden kann, bleibt dem Verantwortlichen noch der rechnerische Nachweis nach § 71 Abs. 2 S. 2 GEG.
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Solarthermie-Hybridheizung
Solarthermieanlagen können aufgrund der schwankenden Einträge der Sonnenenergie sowie der limitierten Flächenverfügbarkeit nicht den gesamten Wärmebedarf decken. Aus diesem Grund ist gemäß Gebäudeenergiegesetz die Kombination von Solarthermieanlagen und konventioneller Brennstofffeuerung zugelassen. Die konventionelle Brennstofffeuerung kommt zum Einsatz, wenn die Solarthermieanlage aufgrund eines fehlenden Eintrags von Sonnenenergie nicht genügend Wärme erzeugen kann und stellt so die ausreichende Wärmeversorgung des Hauses sicher.
Wie im Wärmepumpen-Hybridsystem setzt sich das System neben der Solarthermieanlage und dem zweiten Wärmeerzeuger auch aus einem Wärmespeicher zusammen. Beide Wärmeerzeuger speisen in Abhängigkeit des Sonnenenergieeintrags unterschiedliche Mengen in den Wärmespeicher ein. Eine Beschreibung des Solarthermie-Hybridsystems findet sich unter: Solarthermie.
Ein rechnerischer Nachweis der GEG-Konformität ist nicht erforderlich, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind. Zunächst muss es sich bei dem versorgten Gebäude um ein Wohngebäude handeln. In Abhängigkeit der Anzahl der Wohneinheiten und davon, ob es sich bei den Kollektoren der installierten Solarthermieanlage um Vakuumröhrenkollektoren handelt, wird eine spezifische Mindestaperturfläche (Aperturfläche = Fläche, durch die Sonnenstrahlung tatsächlich in den Kollektor eindringen kann) vorgegeben. Dies ist in der folgenden Tabelle dargestellt:
Versorgung von Wohngebäuden ≤ 2 Wohneinheiten > 2 Wohneinheiten Installation von Vakuumröhrenkollektoren Nein Ja Nein Ja → Aperturfläche: ≥ 0,07 m² je m² Nutzfläche ≥ 0,056 m² je m² Nutzfläche ≥ 0,06 m² je m² Nutzfläche ≥ 0,048 m² je m² Nutzfläche Wird die Mindestaperturfläche eingehalten, muss dennoch mehr als 60 % der aus gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffen bereitgestellten Wärme aus Biomasse oder grünem bzw. blauem Wasserstoff (einschließlich daraus hergestellter Derivate) stammen, sodass die allgemeine Anforderung von 65% erneuerbaren Energien erfüllt ist.
Kann die Mindestaperturfläche nicht erreicht werden, ist die einzige Möglichkeit einen detaillierten rechnerischen Nachweis zu umgehen, den Anteil der erneuerbaren Brennstoffe zwischen 65 % und 60 % entsprechend dem geringeren Anteil an der erforderlichen Aperturfläche zu mindern (Bsp.: > 2 Wohneinheiten, Keine Vakuumröhrenkollektoren, 0,03 m² Aperturfläche je m² Nutzfläche → 61,875 %). Sofern ein fester Brennstoff verfeuert wird, muss es sich dabei um Biomasse handeln, die die entsprechenden Anforderungen an nachhaltigen Anbau erfüllt.
Kosten
Bei der Kostenbetrachtung von Hybridsystemen werden im Folgenden verschiedene Fälle betrachtet. Die verbreitetsten Varianten sind die Kombinationen aus Wärmepumpe und Gas-Brennwertkessel oder Solarthermie-Anlagen. Die Darstellung der Kosten ist beispielhaft und dient der Orientierung. Bitte beachten Sie unsere Hinweise und Disclaimer dazu auf der Seite Kosten und Förderung.
- Wärmepumpen-Gas-Hybridheizung
- Solarthermie mit Wärmepumpe
- Solarthermie mit Stromdirektheizung
- Solarthermie mit Gasheizung
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Investitionskosten
Die Anlagen-Investitionskosten für eine Wärmepumpen-Gas-Hybridheizung können je nach Ausführung zwischen 30.000 und 56.000 EUR liegen. Für eine genauere Einschätzung der notwendigen Anlagen-Investitionen für Ihre persönliche Investition, wenden Sie sich an einen Energieberater oder Installateur Ihrer Wahl.
Förderung
Die finanzielle Unterstützung für Hybridheizungen, die fossile Brennstoffe nutzen, ist eingestellt worden. Nun ist Förderung nur noch für den Teil des Heizsystems verfügbar, der auf erneuerbaren Energien basiert. In der Regel wird diese Unterstützung allerdings nur gewährt, wenn die erneuerbaren Energien mindestens 65 Prozent der Heizleistung erbringen.
Mit der Überarbeitung der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG), die seit dem 1. Januar 2024 gültig ist, kann für die Kombination zweier Systeme, die beide auf erneuerbaren Energien beruhen, eine Förderung von bis zu 70 % der Anschaffungskosten in Anspruch genommen werden. Wollen Sie mehr über Fördermittel und deren Bedingungen erfahren, finden Sie weitere Informationen auf unserer Seite zu Fördermitteln.
Betriebskosten
Die jährlichen Betriebskosten für eine Wärmepumpen-Gas-Hybridheizung können für einen Vierpersonenhaushalt in einem Einfamilienhaus mit einem Wärmebedarf von ca. 22.000 kWh grob mit 2.600 EUR kalkuliert werden. Beachten Sie, dass aufgrund abweichender Anlageneffizienz Ihrer individuellen Heizungsanlage, Schwankungen der Energieträgerpreise, Witterung, Nutzerverhalten und weiterer Faktoren Ihre realen Betriebskosten deutlich abweichen können.
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Investitionskosten
Die Anlagen-Investitionskosten für Solarthermie mit Wärmepumpe können je nach Ausführung zwischen 30.000 und 56.000 EUR liegen. Für eine genauere Einschätzung der notwendigen Anlagen-Investitionen für Ihre persönliche Investition, wenden Sie sich an einen Energieberater oder Installateur Ihrer Wahl.
Förderung
Die finanzielle Unterstützung für Hybridheizungen, die fossile Brennstoffe nutzen, ist eingestellt worden. Nun ist Förderung nur noch für den Teil des Heizsystems verfügbar, der auf erneuerbaren Energien basiert. In der Regel wird diese Unterstützung allerdings nur gewährt, wenn die erneuerbaren Energien mindestens 65 Prozent der Heizleistung erbringen.
Mit der Überarbeitung der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG), die seit dem 1. Januar 2024 gültig ist, kann für die Kombination zweier Systeme, die beide auf erneuerbaren Energien beruhen, eine Förderung von bis zu 70 % der Anschaffungskosten in Anspruch genommen werden. Wollen Sie mehr über Fördermittel und deren Bedingungen erfahren, finden Sie weitere Informationen auf unserer Seite zu Fördermitteln.
Betriebskosten
Die jährlichen Betriebskosten für Solarthermie mit Wärmepumpe können für einen Vierpersonenhaushalt in einem Einfamilienhaus mit einem Wärmebedarf von ca. 22.000 kWh grob mit 1.800 EUR kalkuliert werden. Beachten Sie, dass aufgrund abweichender Anlageneffizienz Ihrer individuellen Heizungsanlage, Schwankungen der Energieträgerpreise, Witterung, Nutzerverhalten und weiterer Faktoren Ihre realen Betriebskosten deutlich abweichen können.
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Investitionskosten
Die Anlagen-Investitionskosten für Solarthermie mit Stromdirektheizung können je nach Ausführung zwischen 10.000 und 20.000 EUR liegen. Für eine genauere Einschätzung der notwendigen Anlagen-Investitionen für Ihre persönliche Investition, wenden Sie sich an einen Energieberater oder Installateur Ihrer Wahl.
Förderung
Die finanzielle Unterstützung für Hybridheizungen, die fossile Brennstoffe nutzen, ist eingestellt worden. Nun ist Förderung nur noch für den Teil des Heizsystems verfügbar, der auf erneuerbaren Energien basiert. In der Regel wird diese Unterstützung allerdings nur gewährt, wenn die erneuerbaren Energien mindestens 65 Prozent der Heizleistung erbringen.
Mit der Überarbeitung der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG), die seit dem 1. Januar 2024 gültig ist, kann für die Kombination zweier Systeme, die beide auf erneuerbaren Energien beruhen, eine Förderung von bis zu 70 % der Anschaffungskosten in Anspruch genommen werden. Wollen Sie mehr über Fördermittel und deren Bedingungen erfahren, finden Sie weitere Informationen auf unserer Seite zu Fördermitteln.
Betriebskosten
Die jährlichen Betriebskosten für Solarthermie mit Stromdirektheizung können für einen Vierpersonenhaushalt in einem Einfamilienhaus mit einem Wärmebedarf von ca. 22.000 kWh grob mit 5.100 EUR kalkuliert werden. Beachten Sie, dass aufgrund abweichender Anlageneffizienz Ihrer individuellen Heizungsanlage, Schwankungen der Energieträgerpreise, Witterung, Nutzerverhalten und weiterer Faktoren Ihre realen Betriebskosten deutlich abweichen können.
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Investitionskosten
Die Anlagen-Investitionskosten für Solarthermie mit Gasheizung können je nach Ausführung zwischen 12.000 und 23.000 EUR liegen. Für eine genauere Einschätzung der notwendigen Anlagen-Investitionen für Ihre persönliche Investition, wenden Sie sich an einen Energieberater oder Installateur Ihrer Wahl.
Förderung
Die finanzielle Unterstützung für Hybridheizungen, die fossile Brennstoffe nutzen, ist eingestellt worden. Nun ist Förderung nur noch für den Teil des Heizsystems verfügbar, der auf erneuerbaren Energien basiert. In der Regel wird diese Unterstützung allerdings nur gewährt, wenn die erneuerbaren Energien mindestens 65 Prozent der Heizleistung erbringen.
Mit der Überarbeitung der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG), die seit dem 1. Januar 2024 gültig ist, kann für die Kombination zweier Systeme, die beide auf erneuerbaren Energien beruhen, eine Förderung von bis zu 70 % der Anschaffungskosten in Anspruch genommen werden. Wollen Sie mehr über Fördermittel und deren Bedingungen erfahren, finden Sie weitere Informationen auf unserer Seite zu Fördermitteln.
Betriebskosten
Die jährlichen Betriebskosten für Solarthermie mit Gasheizung können für einen Vierpersonenhaushalt in einem Einfamilienhaus mit einem Wärmebedarf von ca. 22.000 kWh grob mit 2.100 EUR kalkuliert werden. Beachten Sie, dass aufgrund abweichender Anlageneffizienz Ihrer individuellen Heizungsanlage, Schwankungen der Energieträgerpreise, Witterung, Nutzerverhalten und weiterer Faktoren Ihre realen Betriebskosten deutlich abweichen können.